组成原理--计算机系统概论

1、课程的性质、内容及任务课程的性质、内容及任务教材教材学时分配学时分配参考书目参考书目测评测评课程性质：课程性质：计算机组成原理是计算机专业的一门核心专业基计算机组成原理是计算机专业的一门核心专业基础课程。础课程。主要内容：主要内容：计算机系统概论计算机系统概论；运算方法和运算器运算方法和运算器；内存储器内存储器；指指令系统令系统；中央处理机中央处理机；总线系统总线系统；外围设备外围设备；输入输出系输入输出系统；并行体系结构统；并行体系结构。主要任务：主要任务：通过本课程的学习，使得同学们初步了解和掌握计算通过本课程的学习，使得同学们初步了解和掌握计算机单处理机系统的主要组成和工作原理，着重于计

2、算机硬机单处理机系统的主要组成和工作原理，着重于计算机硬件和体系结构，培养扎实的计算机硬件动手能力，为后继件和体系结构，培养扎实的计算机硬件动手能力，为后继计算机课程的深入学习打下基础。计算机课程的深入学习打下基础。一、课程的性质、内容及任务一、课程的性质、内容及任务计算机组成原理计算机组成原理（第（第5版版 立体化教材）立体化教材） 主编：白中英主编：白中英 戴志涛戴志涛科学出版社科学出版社二、教材二、教材(textbook)共共4040+ +1616= =5656学时学时其中：其中： 理论课：理论课：4040学时学时 实验课：实验课：1 16 6学时学时三、学时分配三、学时分配(time

3、allocation)l计算机组成原理与系统结构计算机组成原理与系统结构 马马 礼礼 人民邮电出版社人民邮电出版社l计算机体系结构计算机体系结构 张晨曦张晨曦 高教出版社高教出版社l计算机组成与结构计算机组成与结构 王爱英王爱英 清华大学出版社清华大学出版社l计算机系统结构计算机系统结构 郑纬民郑纬民 清华大学出版社清华大学出版社l计算机组成与体系结构计算机组成与体系结构 王王 诚诚 清华大学出版社清华大学出版社l计算机组成与系统结构计算机组成与系统结构( (第二版第二版) ) 胡越民胡越民 电子工业出版社电子工业出版社lComputer organizationComputer organi

4、zation Carl hamcher Carl hamcherlThe Essentials of Computer Organization and The Essentials of Computer Organization and Architecture Linda NullArchitecture Linda Null等等 机械工业出版社机械工业出版社l 先修课程计算机基础、电工技术与电子技术先修课程计算机基础、电工技术与电子技术要求（要求（requirement)：参考书尽量人手一册参考书尽量人手一册n满分：满分：100分分 1. 笔试笔试 80% 2. 平时平时 20%1.计

5、算机的分类2.计算机的发展简史3.计算机的硬件4.计算机的软件5.计算机系统的层次结构1.1.1 1.1.1 计算机的分类计算机的分类( (Categorize)Categorize)计算机计算机 (电子电子)电子电子模拟模拟计算机计算机电子电子数字数字计算机计算机专用专用计算机计算机通用通用计算机计算机巨巨型机型机(Super)大大型机型机(Mainframe)中中型机型机(medium)小小型机型机(small)微微型机型机(micro)单单片机片机(single)(analog)(digital)(generic)(special)双核机双核机单片机单片机微型机微型机服务器服务器大型机大

6、型机超级计算机超级计算机体积体积 功耗功耗 性能性能 存储量存储量 指令系统指令系统价格价格低低高高高高低低简易性简易性六种通用计算机的区别六种通用计算机的区别当今高性能计算机：当今高性能计算机：曙光曙光 4 （排名第十）（排名第十） 单片机单片机从使用器件角度，计算机的发展大致经历了五代：从使用器件角度，计算机的发展大致经历了五代： 一、第一代：电子管计算机一、第一代：电子管计算机 时间跨度：时间跨度：19461957 器件特性：电子管器件特性：电子管 运算速度：几千至几万次运算速度：几千至几万次/秒秒 缺点：体积大、成本高、不可靠缺点：体积大、成本高、不可靠 ENIAC（Electroni

7、c Numerical Integrator And Computer） 电子数字积分计算机电子数字积分计算机1.1.2.1 2.1 计算机的五代变化计算机的五代变化二、第二代：晶体管计算机二、第二代：晶体管计算机 时间跨度：时间跨度：1958195819641964 器件特性：晶体管，磁芯存储器器件特性：晶体管，磁芯存储器 运算速度：几万次运算速度：几万次几十万次几十万次/ /秒秒三、第三代：中小规模集成电路计算机三、第三代：中小规模集成电路计算机 时间跨度：时间跨度：19651971 产品特性：集成电路，操作系统产品特性：集成电路，操作系统 运算速度：几十万次运算速度：几十万次几几百万次百

8、万次/ /秒秒四、第四代：大规模、超大规模集成电路计算机四、第四代：大规模、超大规模集成电路计算机 时间跨度：时间跨度：19721990 产品特性：大规模集成电路，半导体存储器，微型计算机出现产品特性：大规模集成电路，半导体存储器，微型计算机出现 运算速度：几百万次运算速度：几百万次几几千万次千万次/ /秒秒五、第五代：巨大规模集成电路计算机五、第五代：巨大规模集成电路计算机 时间跨度：时间跨度：1991至今至今 产品特性：产品特性：VLSI、ULSI，半导体存储器，微机发展迅速半导体存储器，微机发展迅速 运算速度：几亿次运算速度：几亿次几百亿次几百亿次/秒秒1.1.2.1 2.1 计算机的五

9、代变化计算机的五代变化代 别年 代使用的元器件使用的软件类型主要应用领域第1代20世纪40年代中期50年代末期CPU：电子管内存：磁鼓使用机器语言和汇编语言编写程序科学和工程计算第2代20世纪50年代中、后期60年代中期CPU：晶体管内存：磁芯使用FORTRAN等高级程序设计语言开始广泛应用于数据处理领域第3代20世纪60年代中期70年代初期CPU：SSI，MSI内存：SSI，MSI的半导体存储器操作系统、数据库管理系统等开始使用在科学计算、数据处理、工业控制等领域得到广泛应用代 别年 代使用的元器件使用的软件类型主要应用领域第4代20世纪70年代中期90年代CPU：LSI、VLSI内存：LS

10、I、VLSI的半导体存储器软件开发工具和平台、分布式计算家庭和个人开始使用计算机第5代20世纪90年代初期至今CPU：ULSI网络软件、嵌入式操作系统深入社会生活的各个领域1.1.2.2 2.2 半导体存储器的发展半导体存储器的发展20世纪世纪5060年代年代，所有计算机存储器都是由微小的，所有计算机存储器都是由微小的铁磁体环构成；铁磁体环构成； 1970年年，仙童半导体公司生产出了第一个较大容量半，仙童半导体公司生产出了第一个较大容量半导体存储器；导体存储器；从从1970年起，半导体存储器经历了年起，半导体存储器经历了11代：单个芯片代：单个芯片1KB、4KB、16KB、64KB、256KB

11、、1MB、4MB、16MB、64MB、256MB、1GB。 （其中（其中1K=210,1M=220,1G=230）l1971年年Intel 4004，这是第一个将，这是第一个将CPU的所有元件都放入同的所有元件都放入同一块芯片内的产品；一块芯片内的产品； l1972年年Intel 8008，这是第一个，这是第一个8位微处理器，比位微处理器，比4004复杂复杂一倍；一倍； l1974年年Intel 8080，这是第一个通用微处理器，而，这是第一个通用微处理器，而4004和和8008是为特殊用途而设计的。是为特殊用途而设计的。8080是为通用微机而设计的是为通用微机而设计的中央处理器；中央处理器；

12、 l20世纪世纪70年代末出现强大的通用年代末出现强大的通用16位微处理器，位微处理器，8086便是便是其中之一；其中之一； l1981年贝尔实验室和年贝尔实验室和HP公司开发出了公司开发出了32位单片微处理器；位单片微处理器； lIntel于于1985年推出了年推出了32位微处理器位微处理器Intel 80386； l 到现在的到现在的64位处理器和多核处理器。位处理器和多核处理器。1.1.2.3 2.3 微处理器的发展微处理器的发展 一台计算机性能的高低好坏，因素是多方面一台计算机性能的高低好坏，因素是多方面的，如它的系统结构、硬件组成、外设配置、软的，如它的系统结构、硬件组成、外设配置、

13、软件种类等。件种类等。性能指标通常分为绝对和相对两类。性能指标通常分为绝对和相对两类。 绝对指标：绝对指标：MIPS 相对指标：加速比相对指标：加速比 性能价格比、机器字长、运算速度、机器容量、性能价格比、机器字长、运算速度、机器容量、 指令系统、计算速度、工艺形式等等。指令系统、计算速度、工艺形式等等。1.1.2.3 2.3 计算机的性能指标计算机的性能指标算式：算式：y=ax+b-c 工具：算盘、横格纸和笔工具：算盘、横格纸和笔步骤：步骤：1.1.3.1 3.1 硬件组成要素硬件组成要素例如：例如：计算机的解题过程和算盘解题相似，可以计算机的解题过程和算盘解题相似，可以从算盘的解题过程推演

14、计算机的硬件组成。从算盘的解题过程推演计算机的硬件组成。行行 数数解体步骤和数据解体步骤和数据说明说明01020304050607080910111213a 数据数据b 数据数据c 数据数据x 数据数据取数取数 (09)-算盘算盘 a取数取数 (12)-算盘算盘 ax取数取数 (10)-算盘算盘 ax+b取数取数 (11)-算盘算盘 ax+b-c存数存数 y-13 把算盘上把算盘上y值记到第值记到第13行行输出输出 把算盘上的把算盘上的y值写出给人看值写出给人看y 数据数据停止停止 运算完毕，暂停运算完毕，暂停v原始数据和解题步骤存储原始数据和解题步骤存储 纸纸(Paper)-存储器存储器(M

15、emory)v运算工具运算工具 算盘算盘(Abacus)-运算器运算器(Arithmetic and Logic Unit)v解题步骤和原始数据的输入、计算结果的输出解题步骤和原始数据的输入、计算结果的输出 笔笔(pen)-输入输入/输出设备输出设备(Input/Output)v整个计算过程的调度控制整个计算过程的调度控制 人脑人脑(brain)-控制器控制器(Control Unit)主机：CPU+内存功能功能(function)：算术和逻辑运算算术和逻辑运算寄存器寄存器B累加器累加器A运算单元电路运算单元电路运算器结构示意图运算器结构示意图数制：二进制数制：二进制采用二进制的采用二进制的：

16、 (1) 容易实现容易实现 (2) 运算规律简单运算规律简单 (3) 抗干扰能力强，可靠性高抗干扰能力强，可靠性高 (4) 为实现逻辑运算和逻辑判断提供了便利为实现逻辑运算和逻辑判断提供了便利运算器的长度一般是运算器的长度一般是8位、位、16位、位、32位、位、64位和位和128位位功能功能(function)：存放程序存放程序(指令指令)和数据和数据实现实现(realization)：用半导体器件来实现。用半导体器件来实现。分类分类(classify)：内存储器和外存储器内存储器和外存储器存储容量存储容量(capacity)：计算机中存储单元的总数；单位计算机中存储单元的总数；单位bit、

17、byte、KB 、MB 、GB 、TB 、PB存储单元存储单元0123m存储器结构示意图存储器结构示意图存储器存储器外存储器外存储器内存储器内存储器磁盘磁盘磁带磁带磁鼓磁鼓光盘光盘ROMRAMROMPROMEPROMEEPROMSRAMDRAMSDRAMEDRAM2 2存储器存储器( (Memory)Memory)任务任务(Task)：从内存中取出解题步骤加以分析，然从内存中取出解题步骤加以分析，然后执行某种操作。后执行某种操作。(1)(1) 计算程序计算程序：解决某一问题的一串指令序列称为该解决某一问题的一串指令序列称为该问题的计算程序。问题的计算程序。 注意注意：计算程序是在运行前事先把指

18、令和数据顺序存放到：计算程序是在运行前事先把指令和数据顺序存放到存储器中。控制器控制计算机按照指令顺序执行解决问题。存储器中。控制器控制计算机按照指令顺序执行解决问题。 注意注意：指令的操作码和地址码都是用：指令的操作码和地址码都是用二进制代码二进制代码表示的。表示的。（2） 指令形式指令形式 ：一条指令必须明确指示出从哪个单元：一条指令必须明确指示出从哪个单元中取数，并进行何种性质的操作；即指令由操作码和地中取数，并进行何种性质的操作；即指令由操作码和地址码组成，分别指出操作的性质和操作数的地址。址码组成，分别指出操作的性质和操作数的地址。 操操 作作 码码地地 址址 码码指令指令操作码操作

19、码加法加法001减法减法010乘法乘法011除法除法100取数取数101存数存数110打印打印111停机停机000101 1001011 1100001 1010010 1011110 1101111 xxxx000 xxxxabcxy指令的操作码定义指令的操作码定义指令和数据在存储器中指令和数据在存储器中用二进制码存储用二进制码存储12345678910111213按照程序所排的指令序列，先从存储器中取出一条按照程序所排的指令序列，先从存储器中取出一条指令放到控制器中，对该指令的操作码由译码器进行分指令放到控制器中，对该指令的操作码由译码器进行分析判别，然后根据指令的性质，执行该指令，进行相

20、应析判别，然后根据指令的性质，执行该指令，进行相应的操作；接着取出第二条指令，再执行第二条指令，依的操作；接着取出第二条指令，再执行第二条指令，依此类推。此类推。（3 3）控制器的基本任务）控制器的基本任务（Foundational TaskFoundational Task）术语术语： 1. 位位(Bit):计算机的最小信息单位计算机的最小信息单位2. 字节字节(Byte)：1Byte=8 bits3. 字字(Word)：由一个以上的字节组成由一个以上的字节组成4. 字长字长：组成一个字的二进制位数：组成一个字的二进制位数5. 指令字指令字：字的内容是一条指令：字的内容是一条指令6. 数据字

21、数据字：代表要处理的数据：代表要处理的数据7. 指令流指令流：取指周期从内存中读出的信息流：取指周期从内存中读出的信息流 是指令流，它流向控制器。是指令流，它流向控制器。8. 数据流数据流：在执行周期中从内存中读出的信息：在执行周期中从内存中读出的信息 流是数据流，它由内存流向运算器。流是数据流，它由内存流向运算器。（4 4）指令流）指令流( (Instruction Stream)Instruction Stream)和数据流和数据流( (Data Stream)Data Stream)4 4 适配器适配器( (adapter)adapter)和输入输出设备和输入输出设备( (I/O)I/O

22、)输入输入(Input)设备：键盘、鼠标、扫描仪、麦克风等设备：键盘、鼠标、扫描仪、麦克风等输出输出(Output)设备：显示器、打印机、绘图仪设备：显示器、打印机、绘图仪输入输入/输出设备：硬盘、软盘、磁带、磁鼓等输出设备：硬盘、软盘、磁带、磁鼓等(1)输入输出设备：输入输出设备：(2)适配器：适配器：作用：相当于一个转换器、保证外围设备用计算机作用：相当于一个转换器、保证外围设备用计算机系统特性所要求的形式接发信息。系统特性所要求的形式接发信息。常见有：网络适配器、显卡适配器等常见有：网络适配器、显卡适配器等5. 5. 总线总线( (Bus)Bus)是构成计算机系统的骨架，是多个系统部件之

23、间是构成计算机系统的骨架，是多个系统部件之间进行数据传送的公共通路。进行数据传送的公共通路。l（1）存储程序控制：要求计算机完成的功能，需要事先编制成相应的程序，并输入到存储器中，在控制器的控制下，有条不紊地工作。l（2）程序和数据都用二进制表示。l（3）程序由指令序列构成，任何一条指令序列都包含操作码和地址码。l（4）全机以CPU为中心，输入的信息在CPU控制下才能写入主存储器，输出的信息也只有在CPU控制下才能从主存储器中取出送至相应的输出设备。 I/0输入设备输出设备运算器控制器存储器CPUBasic Functional Units of a Computer计算机的基本组成计算机的基

24、本组成小结（小结（SummarySummary） 运算器 (ALU) 控制器 存储器 输入设备 输出设备 数据流 控制流 1946年Von Neumann提出存储程序计算机模型。1.1.4 4 计算机的软件计算机的软件1.4.1 软件的组成与分类软件的组成与分类计算机软件计算机软件系统程序系统程序各种服务性程序：诊断、排错等各种服务性程序：诊断、排错等语言程序：汇编、编译、解释等语言程序：汇编、编译、解释等操作系统操作系统数据库管理系统数据库管理系统应用程序应用程序工程设计程序工程设计程序数据处理程序数据处理程序自动控制程序自动控制程序企业管理程序企业管理程序情报检索程序情报检索程序科学计算程

25、序科学计算程序计算机软件层次结构示意图计算机软件层次结构示意图机器语言机器语言：使用：使用1和和0编制。计算机直接可以识别和执行。缺点：编制。计算机直接可以识别和执行。缺点：要熟悉指令系统、繁杂、容易出错、不易调试、只有专家使用。要熟悉指令系统、繁杂、容易出错、不易调试、只有专家使用。汇编语言汇编语言：对机器指令采用助记符的表示，能够用符号语言编写。：对机器指令采用助记符的表示，能够用符号语言编写。简单直观、便于记忆。不能为计算机识别，使用汇编程序，把符简单直观、便于记忆。不能为计算机识别，使用汇编程序，把符号语言编写的程序翻译为机器代码。号语言编写的程序翻译为机器代码。高级语言高级语言：按照

26、实际需求规定一套基本符号以及由基本符号构成：按照实际需求规定一套基本符号以及由基本符号构成程序的规则。更加接近自然语言，直观通用、与具体机器无关。程序的规则。更加接近自然语言，直观通用、与具体机器无关。编译程序编译程序：把整个源程序翻译为机器代码或汇编代码的程序，它：把整个源程序翻译为机器代码或汇编代码的程序，它和运行系统一起组成编译系统。和运行系统一起组成编译系统。解释程序解释程序：对源程序逐行解释并立即执行的程序。：对源程序逐行解释并立即执行的程序。操作系统操作系统：管理整个系统的软硬件资源，提高资源使用率，方便：管理整个系统的软硬件资源，提高资源使用率，方便用户对计算机的使用。用户对计算

27、机的使用。数据库管理系统数据库管理系统：数据存储、处理、传输、查询、共享管理程序。：数据存储、处理、传输、查询、共享管理程序。 1.1.4.4. 软件的发展演变软件的发展演变1.1.5.1 5.1 多级组成的计算机系统多级组成的计算机系统根据计算机系统的根据计算机系统的发展及计算机使用人员发展及计算机使用人员的不同层次，将计算机的不同层次，将计算机系统进行层次划分，在系统进行层次划分，在每个层次上都可以进行每个层次上都可以进行程序设计程序设计计算机系统的层次结构示意图计算机系统的层次结构示意图编译程序编译程序高级语言级高级语言级5 5级级微程序微程序一般机器级一般机器级2 2级级汇编程序汇编程

28、序汇编语言级汇编语言级4 4级级操作系统操作系统操作系统级操作系统级3 3级级微程序设计级微程序设计级1 1级级微程序直接由硬件执行微程序直接由硬件执行计算机系统计算机系统 人人应用语言级应用语言级 为人民服务级为人民服务级高级语言级高级语言级 读书、学习级读书、学习级汇编语言级汇编语言级 语言、思维级语言、思维级 操作系统级操作系统级 生理功能级生理功能级传统机器级传统机器级 人体器官级人体器官级微程序机器级微程序机器级 细胞组织级细胞组织级电子线路级电子线路级 分子级分子级一般来说，一般来说，1 1级以下由硬件实现，二级以上由软件实现。级以下由硬件实现，二级以上由软件实现。VLSIVLSI

29、、ULSIULSI的发展使得软、硬件界限不明显。的发展使得软、硬件界限不明显。原理上任何操作可由软件完成，也可由硬件完成。对某一原理上任何操作可由软件完成，也可由硬件完成。对某一机器功能而言，采用硬件实现还是软件实现，主要取决于价机器功能而言，采用硬件实现还是软件实现，主要取决于价格、速度、可靠性、存储容量、变更周期等因素。格、速度、可靠性、存储容量、变更周期等因素。固件固件(Firmware)：程序固化了的程序固化了的ROM；形态是硬件，实现形态是硬件，实现软件的功能。软件的功能。进一步发展，设计面向高级语言的计算机，不经过编译，进一步发展，设计面向高级语言的计算机，不经过编译，硬件直接执行

30、高级语言的语句。硬件直接执行高级语言的语句。 1.1.5.2 5.2 软硬件的逻辑等价性软硬件的逻辑等价性1计算机体系结构计算机体系结构 计算机体系结构主要研究计算机系统的设计。计算机体系结构主要研究计算机系统的设计。 定义：定义：计算机体系结构就是计算机的机器语言程序计算机体系结构就是计算机的机器语言程序员或编译程序编写者所看到的员或编译程序编写者所看到的外特性外特性。所谓外特所谓外特性，就是计算机的概念性结构和功能特性。性，就是计算机的概念性结构和功能特性。经典计算机体系结构概念的实质：经典计算机体系结构概念的实质： 计算机系统中软硬件界面的确定，其界面计算机系统中软硬件界面的确定，其界面之上的是软件的功能，界面之下的是硬件和固之上的是软件的功能，界面之下的